Создание базы данных геореференсированных фотографических изображений почв в on-line доступе

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Биологический институт Кафедра почвоведения и экологии почв Реферат на тему: Создание базы данных геореференсированных фотографических изображений почв в on-line доступе Выполнил магистрант 2-го года, группы 133 Лойко С. В. Проверил доцент, к.б.н. Михайличенко К.А. Томск – 2011 При проведении работ по оценке изменения состояния почвенных ресурсов используются два подхода, взаимодополняющие друг друга.Первый состоит в проведении полевых работ по мониторингу изменения почвенных свойств, отражающих смену факторов почвообразования (в том числе и при антропогенезе) и саморазвитие почвенного тела, с использование временных или пространственных рядов сравнения подбираемых экспертным путём. Этот подход позволяет оценить направленность изменений почв и её количественные оценки по профилю, а также спрогнозировать дальнейшее развитие.

Второй заключается в работе с данными дистанционного зондирования, которые позволяют результаты, полученные при точечных наблюдениях, распространить территориально, тем самым оценив масштабы происходящих изменений.

Взаимодействие этих двух подходов достигается следующим образом. Благодаря изучению отдельных почв формируется база данных состояния почвенных параметров.По материалам дистанционного зондирования, а также цифровым моделям рельефа производится поиск соответствий: для каждой точки из базы данных подбирается значения параметров, полученные по континуальным материалам дистанционного зондирования и цифровым моделям рельефа.

После того, как найдены соответствия, рассчитываются стохастические многопараметрические связи почвенных свойств и имеющихся пространственно распределенных параметров.Благодаря полученным уравнениям становится возможным с определенной достоверностью рассчитать значения почвенных параметров между изученными в полевых условиях точками (закрыть «белые пятна»), тем самым решается задача оценки состояния почвенных ресурсов в пространственном измерении.

В ряде случаев почвенные ресурсы понимают синонимично понятию земельных ресурсов, когда в характеристику земель закладываются данные о почвах распространенных на них. В этом случае мониторинг их состояния можно проводить по сравнению ряда разновременных космических и аэрофотоснимков, а также по данным о площадях и типах использования сельскохозяйственных земель, используя знания о специфики форм использования земли на изучаемой территории и процессов восстановления исходных экосистем, в случае, если использование земель человеком прекращается.

Базовой единицей при описанном выше подходе к характеристике почвенных ресурсов является почвенный профиль, представляющий собой парагенетическую ассоциацию горизонтов, являющуюся базовым элементом классификации почв, которая необходима для создания баз данных и кадастров почвенных ресурсов и позволяет переходить от точечной характеристики почвенных ресурсов к их пространственным оценкам и характеристике почвенного покрова.Почвенный профиль является отражением состояния элементарного почвенного ареала (ЭПА). Учитывая, что в пределах ЭПА почвенные условия однородны, то для характеристики одного ЭПА достаточно получить параметры по одному профилю. При совпадении таксономических уровней ЭПА одного и того же ландшафта, условий однотипности характера угодий и их использования характеристики изменений происходящих в одном профиле достаточно для характеристики изменения все остальных ЭПА рассматриваемого ландшафта.

Поэтому крайне важно составлять базы данных почвенных профилей, так как они является основой для проведения мониторинга почвенных ресурсов как перспективного, так и ретроспективного типов [Хитров, 2007, 2008]. В продолжение создания базы почвенных данных «InformSoil» явилась работа по организации сопряженной с базой коллекции фотоизображений почв, иллюстрирующих и хранящих информацию о неформализуемых особенностях строения почвенных профилей, их образах.

Использование почвенных образов в оценке изменений состояния почв во времени является неоценимым приёмом, так как в их запечатлены трудно формализуемые морфологические элементы строения почв, отражающие факторную обстановку и изменение состояния почвенных ресурсов.

Сюда относится, в первую очередь, окраска почв, которая состоит из сочетания морфонов и морфем, выглядящие на фотографиях как пятна различного цвета, отражающие химический состав и тем самым позволяющие уловить протекание процессов, в том числе негативных ещё до того времени, когда их можно будет обнаружить аналитически.

Следующим показателем является сложение почвенной массы, что крайне сложно формализовать и занести в базу данных в цифровом коде. Также на фотографии можно проследить структуру почвы, разнообразные новообразования.В работах последних лет показано, что за относительно краткое время возможно протекание изменений строения почвенных тел, что хорошо может быть запечатлено на фотоснимках [Дюкарев, 2005; Разнообразие почв…, 2009; Апарин и др 2010] и использоваться в дальнейшем.

Поэтому создание фотографических баз данных представляется необходимым элементом проведения работ по оценке изменения состояния почвенных ресурсов. Кроме оценки временной изменчивости ресурсов фотоизображения можно использовать для поиска пространственных различий в состоянии почвенных ресурсов в настоящее время, причем связанных как с естественной неоднородностью почвенного покрова, так и их антропогенной трансформацией.Фотографическая база позволяет в краткие сроки экспертным путём выявить необходимые отличия в строении сравниваемых почвах и тем самым перейти к оценке разнообразия функционирования почв, что напрямую указывает на их способность выполнять свои функции по отношению к иным биологическим ресурсам и в первую очередь растительным (агроэкосистемы, лесные ресурсы). Создание фотографической базы данных оправдано для указанных выше целей в том случае, если индивидуальные фотографии почвенных профилей имеют высокое разрешение и связаны с аналитической и морфологической характеристикой, а также геореференсированы, то есть имеют привязку к картографическому материалу в общепринятых системах координат, позволяющую проводить оценку связей с пространственно распределенными данными, характеризующими ландшафты и земельные ресурсы.

Поэтому была выбрана следующая форма организации материалов: каждый почвенный профиль связывался с формализованной характеристикой в базе почвенных данных «InformSoil» и с общедоступной географической информационной системой сервиса корпорации Google.

Для размещения был выбран сервис panoramio.com, важным следствием чего явилась общедоступность обозначенных ресурсов, а значит, представленной информацией, которой могут воспользоваться специалисты различного профиля, а также широкие слои населения, в том числе и широкий спектр людей из учебных заведений разных уровней.

Характеризуемая ниже база данных размещена по адресу: http://www.panoramio.com/user/4107231 и имеет удобный интуитивно понятный способ представления информации (рисунок 1). Все фотоизображения почв, размещенные в базе возможно путем генерирования файла в формате .kml просмотреть в программе Google Earth, Sas.planet и любых других геоинформационных системах, поддерживающих данный формат представления данных (рисунок 2). Все фотоизображения размещены без сжатия, что позволяет просматривать при увеличении детали морфологического строения почвенных профилей, а по каждой фотографии можно получить информацию из exif-данных файла, где содержится информация о времени и параметрах съемки (рисунок 3). Фотоизображения группируются с помощью тегов размещенных в правой части страницы (рисунок 4), что облегчает поиск необходимой информации.

Критерий выделения тегов принят тот же, что и в системе «InformSoil» и представляет собой классификационное наименование почвы.

За основу принята Классификация и диагностика почв России, доступная к просмотру на сайте: soils.narod.ru. Приведены следующие теги, отражающие основные почвенные типы, встречающиеся в Западной Сибири: агродерново-подзолистые, агроземы, агросерые, агротемно-серые, аллювиальные гумусовые и гумусово-глеевые, аллювиальные темногумусовые, буроземы, городские почвы, гумусово-метаморфические, дерново-глеевые, дерново-подбуры, дерново-подбуры глеевые, дерново-подзолисто-глеевые, дерново-подзолистые, дерново-подзолистые со Рисунок 1 – Общий вид базы данных геореференсированных фотографических изображений почв в on-line доступе вторым гумусовым горизонтом, дерново-подзолы, дерново-элювиально-метаморфические, дерново-элювоземы, карболитоземы темногумусовые, криоаридные, криометаморфические, литоземы, палеопочвы, перегнойно-глеевые, подзолы, ржавоземы, светло-серые почвы, светлоземы, седименты, серогумусовые, серые, серые и темно-серые метаморфические, серые и темно-серые со вторым гумусовым горизонтом, солоды, солонцы, темно-гумусовые подбелы, темно-серые, темно-серые глеевые и глееватые, темногумусово-глеевые, темногумусовые, торфяно-глееземы, торфяные олиготрофные, торфяные эутрофные, черноземы, черноземы глинисто-иллювиальные. Среди перечисленных тегов встречаются внеклассификационные наименование, для тех почв, которые имеют ограниченное распространение и не имеют таксона в классификации.

Рисунок 2 – Просмотр фотоизображений в программе Google Earth экспортированных с помощью файла в формате «.kml». К ряду фотографий из базы приводятся несколько тегов сразу, что связано либо с неоднозначным классификационным положением, либо с тем, что почва занимает промежуточное таксономическое положение, поэтому одна и та же фотография может отображаться при активации нескольких тегов.

Рисунок 3 – Информация из exif-данных файла Рисунок 4 – Группировка почв по тегам (правая часть страницы) При активации гиперссылки тега загружается страница (рисунок 5), где селективно отображены фотографии почв соответствующих типов. При необходимости просмотреть изображение конкретного профиля необходимо нажать на его иконку, после чего откроется страница профиля (рисунок 6). Каждая фотография имеет свою индивидуальную страницу, а потому гиперссылка на неё свободно зашивается в базу почвенных данных («InformSoil») и может легко пересылаться по сети интернет.

В верхней части страницы размещается название фотографии, которое можно менять от лица администратора, у которого хранится логин и пароль от страницы. В правой части страницы размещена информация о привязке к снимкам картографического сервиса Google, в том числе с указанием координат разреза, что можно в дальнейшем использовать в любой геоинформационной системе.

Кроме местоположения и участка снимка, где расположен разрез, которые демонстрирует выбранная фотография, приводятся все иные фотографии расположенные в данном месте и загруженные с иных аккаунтов.

Это очень удобно, так как такая организация данных позволяет в дружественном режиме просмотреть и те фитоценозы и угодья, которые располагаются на данной почве.

Таким образом, выполняется принцип ландшафтной полноты предоставляемой информации, что благоприятно сказывается на качестве экспертных оценок, приводимых в дальнейшем.

В ходе размещения фотографий нами параллельно проводилась работа по созданию сопряженного аккаунта (http://www.panoramio.com/user/1442125), где добавляются фотографии фитоценозов и ландшафтов, в том числе и в местах заложения разрезов (рисунок 7). Эта информация также может просматриваться в формате «.kml» через геоинформационные системы, причём параллельно с информацией по почвам, для этого лишь необходимо загрузить сразу два файла «.kml» (Рисунок 16). Таким образом, с использованием всего спектра информации формируется полноценная картина о строении рассматриваемых ресурсов.

Рисунок 5 – Страница с почвенным профилем и привязкой к картографической системе Google Рисунок 6 – База фотографических данных по ландшафтам и фитоценозам.Рисунок 7 – Совместный просмотр базы фотографических данных по почвам и ландшафтам в программе Google Earth с использованием «.kml» файла.

Для каждой из приведенных фотографий с помощью инструмента «комментарии» добавлена краткая информация о фотографии (Рисунок 8), где приводится информация о положении почвенного профиля относительно элементов рельефа, о растительности и произрастающей на этой почве и типе угодья, его состоянии, а также об антропогенном факторе, под воздействием которого формируется рассматриваемая почва.Далее даются гиперссылки на фотографии профилей почв, находящихся с искомой в одной комбинации.

Таким расположением данных достигается принцип катенарного подхода к исследованиям почв, когда индивидуальный профиль, отражающий элементарный почвенный ареал рассматривается не сам по себе, но обязательно в совокупности с геохимически и генетически сопряженными почвами, тем самым появляется возможность реализации сравнительно-географического и сравнительно-генетических методов на локальном уровне, что позволяет оценить стресс-устойчивость почвенного профиля в условиях микронеоднородности факторов окружающей среды, выявить из их числа лимитирующие, с тем, чтобы в дальнейшем можно было, манипулируя ими, управлять почвенной системой.

В поле комментариев любой из зарегистрированных пользователей ресурса имеет возможность оставлять свои комментарии к каждому из изображений, тем самым появляется возможность для уточнения дискуссионных моментов и обсуждения изображений.Также по каждой фотографии имеется возможность изучения статистики просмотров, что позволяет выявить наиболее интересные для научного сообщества объекты, а также динамику обращений во времени.

Такой же подсчёт проводится и в целом для всей базы данных, причем с отметками о способах посещения, что позволяет отсеивать информацию о «случайных» посетителях базы данных (Рисунок 9). Рисунок 8 – Оформление комментариев к фотографиям Рисунок 9 – Статистика просмотренных фотоизображений Таким образом, была создана единая модульная система «InformSoil», позволяющая получать информационные материалы о почвенных ресурсах с использованием современных методов.

Литература Хитров Н. Б. Методический подход к ретроспективному мониторингу почв Каменной Степи / Н. Б. Хитров Каменная степь: проблемы изучения почвенного покрова/ – М.: Почв. ин-т им. В. В. Докучаева, 2007. – С. 7–35. Хитров Н. Б. Подход к ретроспективной оценке изменения состояния почв / Н.Б. Хитров // Почвоведение. 2008. №8. – С. 899–912. Разнообразие почв Каменной Степи. – М.: Почв. ин-т им. В.В. Докучаева, 2009. – С. 41-71. Дюкарев А. Г. Ландшафтно-динамические аспекты таежного почвообразования в Западной Сибири.

Томск: Изд-во НТЛ, 2005. 284 с. Апарин Б.Ф. Изменение свойств текстурно-карбонатных черноземов, произошедшее в связи с длительным лесоразведением и сельскохозяйственным использованием / Б.Ф. Апарин, Е.Ю. Сухачева, П.Д. Гурин // Материалы Международной научной конференции «Ресурсный потенциал почв – основа продовольственной и экологической безопасности России» / Под ред. Б.Ф. Апарина. – Спб.: Издательский дом С Петербургского государственного университета, 2011. – С. 164–165.